JP2007170210A - アクチュエータおよびアクチュエータ屈曲駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金や高分子アクチュエータなどの外部刺激により収縮する線材を用いたアクチュエータにおいて、大きな発生力と大きな収縮率とを両立させる。
【解決手段】アクチュエータは、外部刺激により収縮する線材１の収縮に応じて所定の収縮方向（Ｙ方向）に収縮するように構成されたアクチュエータである。線材１は収縮方向に対して斜めに配置され、且つ、収縮方向に対して斜めに配置された線材１の両端の収縮方向に垂直な方向（Ｘ方向）の相対的動きを抑制する幅拘束部材３を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、たとえばロボットの関節などを屈曲するのに好適なアクチュエータおよびアクチュエータ屈曲駆動機構に関するものである。

ロボットは、産業用の用途のほか、福祉用途や防犯、家事を目的とした家庭での使用が期待されており、そのための多くの研究、開発が行われている。福祉や家庭での用途では人間との接触が不可避であり、人間との親和性を高める技術の開発が重要になってきている。現在では、人間の言葉を理解したり、人の顔を認識したりすることも可能になってきている。しかし、人間にとってのロボットの安全性、快適性については大きな進展がない。その主因は、人間との親和性があるアクチュエータの開発が遅れていることにあると考えられる。

人間との親和性のあるアクチュエータとして形状記憶合金（ＳＭＡ）や高分子アクチュエータ（たとえば特許文献１参照）が注目されている。ＳＭＡや高分子アクチュエータを用いることにより、柔軟で無騒音のロボット用アクチュエータを構成することが可能である。しかし、ＳＭＡや高分子アクチュエータは大きな変形量と大きな発生力を両立させることはむずかしく、たとえば収縮タイプのＳＭＡ線材の場合、発生応力は１００ＭＰａ程度と比較的大きいのに対し、収縮率が５％程度と小さい。一方、線材をコイル状にして収縮率を１００％以上としたものでは発生応力は１ＭＰａ程度と小さい。

これに対して、ＳＭＡを網目状に構成することにより、発生力と収縮率との両立を試みる例が知られている（特許文献２参照）。
特開２００５−１１１２４５号公報 特開２００２−４８０５３号公報

本発明の目的は、ＳＭＡや高分子アクチュエータなどの外部刺激により収縮する線材を用いたアクチュエータおよびこれを利用したアクチュエータ屈曲駆動機構において、大きな発生力と大きな収縮率とを両立させることにある。

上記目的を達成するために、この発明に係るアクチュエータは、外部刺激により収縮する線材の収縮に応じて所定の収縮方向に収縮するアクチュエータにおいて、前記線材の少なくとも一部が前記収縮方向に対して斜めに配置され、且つ、前記方向に対して斜めに配置された前記線材の両端の前記収縮方向に垂直な方向の相対的動きを抑制する幅拘束部材を有すること、を特徴とする。

また、この発明に係るアクチュエータ屈曲駆動機構は、外部刺激により収縮する線材の収縮に応じて所定の収縮方向に収縮するアクチュエータを屈曲部内側に備え、前記線材の少なくとも一部が前記収縮方向に対して斜めに配置され、且つ、前記収縮方向に対して斜めに配置された前記線材の両端の前記収縮方向に垂直な方向の相対的動きを抑制する幅拘束部材を有すること、を特徴とする。

本発明によれば、ＳＭＡや高分子アクチュエータなどの外部刺激により収縮する線材を用いたアクチュエータおよびこれを利用したアクチュエータ屈曲駆動機構において、大きな発生力と大きな収縮率とを両立させることができる。

初めに、この発明の実施形態を示しながらその原理を、図１〜図５を参照して説明する。この発明の実施形態では、外部刺激により収縮する線材を用い、線材の長さ方向と直角方向に発生する力を利用する。これにより、大きな発生力と大きな収縮率とを両立させることができる。

図１に解析モデルを示す。線材１の両端２は固定されている。線材１の両端２間の距離をＬとする。線材１の中央に外力ｆが作用している場合を考える。外力ｆの方向（Ｙ方向）は、線材の両端２を結ぶ方向（Ｘ方向）に対して垂直である。線材１は形状記憶合金や導電性高分子材料であって、電気信号などの刺激によって収縮する特性を有している。線材１の収縮率をε、最大発生力（許容最大張力）をＦとし、線材１には張力以外の力は発生しないものとする。また、収縮前の線材１の張力をＴ_０、収縮後の張力をＴ_１、線材１の収縮前の長さをＬ_０とする。線材の両端２を結ぶ直線（Ｘ方向）と収縮前の線材１とのなす角をθ_０とし、また、線材の両端２を結ぶ直線と収縮後の線材１とのなす角をθ_１とする。ただし、θ_０およびθ_１はともに０°よりも大きく９０°よりも小さい。

収縮後の線材の長さＬ_１は、
Ｌ_１＝Ｌ_０（１−ε）
と表せる。

線材の両端２を結ぶ直線と収縮前の線材１の中央点（外力ｆの作用点）との距離をｈとし、収縮前後の線材１の中央点の移動距離をΔｈとすると、収縮率はΔｈ／ｈで与えられる。

幾何学的な関係から以下の関係が成り立つ。

cosθ_０＝Ｌ／Ｌ_０＝α （０＜α＜１−ε）
cosθ_１＝Ｌ／Ｌ_０（１−ε）＝α／（１−ε） （１）
Δｈ＝ｈ−（Ｌ_１／２）sinθ_１， ｈ＝（Ｌ_０／２）sinθ_０ （２）
Ｔ_０＝ｆ／（２sinθ_０）， Ｔ_１＝ｆ／（２sinθ_１） （３）
式（１）および式（２）より、Δｈ／ｈは次式のように表される。

次に最大発生力ｆ_ｍａｘについて考える。線材が塑性変形しないための条件は、
Ｔ_１≦Ｆ （５）
である。式（３）および式（５）より次式を得る。

ｆ_ｍａｘ／Ｆ＝２√［１−｛α／（１−ε）｝^２］ （６）
図２は、ε＝０．０５としたときの式（４）および式（６）で表される収縮率と最大発生力を示したものである。横軸はＬ／Ｌ_０である。収縮率Δｈ／ｈはＬ／Ｌ_０が大きくなると増加し、Ｌ_０＝Ｌ／（１−ε）で最大値Δｈ／ｈ＝１となる。一方、Ｌ／Ｌ_０が大きくなるとｆ_ｍａｘ／Ｆは小さくなり、Ｌ_０＝ｌ／（１−ε）近くでは急激に減少する。しかし、最大発生力は図３のようにＬを小さくして三角要素の数Ｎを大きくすることで大きくできるので、実際にアクチュエータを設計する際には、まずは必要な収縮率Δｈ／ｈからＬ／Ｌ_０の値を決め、Ｌを極力小さくするという方向で最適化を図ることが可能である。

上記のように図１のような構成により大きな収縮率を得ることが可能となるが、実際の構成では線材の両端を完全には固定できない。その影響は図４のようなモデルを考察することにより推定できる。固定端２の一方にばね定数ｋのばねが付いているとすると、収縮率Δｈ／ｈは次式のように表わせる。

Δｈ／ｈ＝１−（１−ε）√｛（１−γ^２）／（１−α^２）｝ （７）
ここで、γ＝｛α／（１−ε）｝／｛１＋（Ｆα）／ｋＬ（１−ε）｝
また、最大発生力は次式のようになる。

ｆ_ｍａｘ／Ｆ＝２√（１−γ^２） （８）
図５は、ε＝０．０５、Ｌ／Ｌ_０＝０．９としたときの式（７）および式（８）より求まる収縮率Δｈ／ｈと、最大発生力と許容最大張力との比ｆ_ｍａｘ／Ｆを示す図である。横軸はＦ／ｋＬである。線材固定端の剛性が弱く、幅Ｌが小さくなると急激に収縮率が減少する。

したがって、図１の構成のアクチュエータ要素で大きな収縮率を得るためには、外力が作用したときに幅Ｌができるだけ縮まらないようにすることが重要であることがわかる。

つぎに、本発明に係るアクチュエータおよびアクチュエータ屈曲駆動機構の具体的実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
図６を参照して本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を説明する。拘束板３はＸ−Ｙ平面方向に延びる平板である。拘束板３はＸ軸方向には収縮や湾曲しにくく、Ｙ軸方向には収縮や湾曲しやすい異方性を有している。拘束板３の上面には多数の取り付け具４が取り付けられていて、これらの取り付け具４同士の間に線材１が渡されている。線材１はＸ軸およびＹ軸に対して斜めの方向に配置されている。

線材１は、形状記憶合金や導電性高分子材料などであって、電流などの刺激によって収縮する特性を有している。線材１が形状記憶合金の場合は、たとえば線材１に電流が通ることによって線材１が発熱し、それによって温度上昇し、特定の温度まで上昇すると形状が変化して収縮する。

このように線材１が収縮すると、取り付け具４を介して拘束板３が力を受ける。このとき、拘束板３はＹ方向には比較的変形しやすいので、拘束板３はＸ方向を軸として湾曲ないし屈曲する。ここで、拘束板３は異方性を有してＸ方向に収縮しにくいので、前述の原理により、Ｙ方向の収縮率が大きくなる。これにより、拘束板３の異方性がない場合に比べて拘束板３を大きく屈曲させることができる。

図６に示す実施形態では、拘束板３の上面側のみに取り付け具４および線材１を配置するものとしたが、変形例として、拘束板３の両面に取り付け具４および線材１を配置することもできる。この場合に、拘束板３をＹ軸方向に収縮する材料とすれば、拘束板３を湾曲ないし屈曲させる代わりに、Ｙ軸方向に収縮させることができる。この場合に、拘束板３の異方性がない場合に比べて拘束板３の収縮率を大きくすることができる。また、こうしてできた収縮要素をアクチュエータ屈曲駆動機構の内側要素として他の要素と組み合わせることにより、アクチュエータ屈曲駆動機構を構成することもできる。

［第２の実施形態］
次に図７を参照して本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、第１の実施形態と同様に、拘束板３はＸ−Ｙ平面方向に延びる平板であって、Ｘ軸方向には収縮や湾曲しにくく、Ｙ軸方向には収縮や湾曲しやすい異方性を有している。この実施形態では、拘束板３に多数の小さな貫通孔５が配列され、これらの貫通孔５を、外部刺激により収縮する線材１が通り、貫通孔５同士の間に線材１が渡されている。線材１はＸ軸およびＹ軸に対して斜めの方向に配置されている。線材１は貫通孔５を通るごとに拘束板３の上面と下面の間を行き来するが、図７に示す例では、上面側の線材１の方が下面側の線材１よりも長い。

外部刺激によって線材１が収縮すると、第１の実施形態と同様に拘束板３が湾曲または屈曲する。この実施形態では、線材１が拘束板３の下面にも存在するが、上面に存在する線材１の方が長いので、上面側の線材１の収縮による力のほうが大きく、上面側の方がより強く引っ張られる。

この実施形態の変形例として、拘束板３の上下面の線材１の長さを同程度に配置することもでき、この場合に、拘束板３をＹ軸方向に収縮する材料とすれば、拘束板３を湾曲ないし屈曲させる代わりに、Ｙ軸方向に収縮させることができる。

［第３の実施形態］
次に図８を参照して本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを説明する。ここで、第１または第２の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、２枚の細長い拘束板３が互いに長い辺をＹ方向に対向させてＸ方向に平行に並んで配置されている。この実施形態では、拘束板３は湾曲や収縮がしにくいものとする。拘束板３には長手方向（Ｘ方向）に多数の貫通孔５が配列されている。これら貫通孔５を通るように線材１が配置され、対向する二つの拘束板３の貫通孔５同士を連絡するように線材１が渡されている。線材１はＸ方向およびＹ方向に対して斜めの方向に配置されている。

この実施形態で、外部刺激によって線材１が収縮すると、二つの拘束板３が互いにＹ方向に引き付け合って互いの間隔が狭まる。このとき各線材１の両端のＸ方向距離が拘束板３によって拘束されているので、このアクチュエータのＹ方向の収縮率が大きくなる。

図８に示したアクチュエータではＹ方向の収縮があるのみで湾曲や屈曲の動作は生じないが、このようなアクチュエータを関節等の他の機械要素と組み合わせることによって、アクチュエータ屈曲駆動機構を実現することができる。

この実施形態の変形例として、拘束板３の貫通孔５に線材１を通して拘束板３同士を連結する代わりに、図８に示す拘束板３に、図６に示す多数の取り付け具４やその他の突起（図示せず）を固定し、線材１を取り付け具４や突起に係合させて拘束板３同士を連結することも可能である。

［第４の実施形態］
次に図9を参照して本発明の第4の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、アクチュエータ屈曲駆動機構が全体でほぼ円筒形をなし、この円筒軸を水平としたとき、図示の下半は半円筒状のアクチュエータ１０になっている。アクチュエータ１０は、外部刺激により収縮する線材１を編んで網目状に構成されている。各線材１にはたとえば電気絶縁材被服が施され、各線材１に電流が流されるようになっている。

図９の円筒形のアクチュエータ屈曲駆動機構の上半は半円筒状の拘束板３になっていて、下半の半円筒状のアクチュエータ１０と接合されている。拘束板３は、半円筒状の幅拘束ゴムシート１１と、幅拘束ゴムシート１１に固定され、軸方向に間隔をおいて配列されてそれぞれが円周方向に延びる複数の伸張防止繊維１１とを有する。

電流などの外部刺激がアクチュエータ１０の各線材１に与えられると、各線材１が収縮し、アクチュエータ１０が円筒軸方向に収縮する。アクチュエータ１０が軸方向に収縮することにより、アクチュエータ屈曲駆動機構全体が、アクチュエータ１０を内側にして屈曲する。このとき、幅拘束ゴムシート１１および伸張防止繊維１２によって拘束板３の幅方向の変形（収縮）が抑制されることから、前記原理により、アクチュエータ１０の軸方向の収縮率が大きくなる。

［第５の実施形態］
次に、図１０を参照して本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を説明する。この実施形態は第４の実施形態（図９）の変形例であって、第４の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、第４の実施形態と同様に、アクチュエータ屈曲駆動機構が全体でほぼ円筒形をなし、この円筒軸を水平としたとき、下半は半円筒状のアクチュエータ１０になっている。アクチュエータ１０は、外部刺激により収縮する線材１を編んで網目状に構成されている。各線材１にはたとえば電気絶縁材被服が施され、各線材１に電流が流されるようになっている。

この実施形態では、アクチュエータ１０の幅方向の変形を拘束する拘束体１５は、軸を共通として軸方向に複数配列された環状部材１６と、軸方向に延びて複数の環状部材１６の上端部同士を連結する連結部材１７とを有する。環状部材１６は、伸縮を含めて変形しにくい剛構造のものである。また、連結部材１７は、たとえば軸方向に延びた細長い板状のものであって、伸縮はしにくいが図示の上下方向に湾曲が可能な構造とする。環状部材１６の下半部外側を覆うようにアクチュエータ１０が半円筒状に形成され、環状部材１６に固定されている。

電流などの外部刺激がアクチュエータ１０の各線材１に与えられると、各線材１が収縮し、アクチュエータ１０が円筒軸方向に収縮する。このとき、連結部材１７の軸方向長さは変わらないことから、アクチュエータ屈曲駆動機構全体が、アクチュエータ１０を内側にし、連結部材１７を外側にして屈曲する。このとき、環状部材１６によってチュエータ１０の幅方向の変形（収縮）が抑制されることから、前記原理により、アクチュエータ１０の軸方向の収縮率が大きくなる。

［第６の実施形態］
次に、図１１を参照して本発明の第６の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を説明する。この実施形態は第５の実施形態（図１０）の変形例であって、第５の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

この実施形態では、第５の実施形態と同様に、アクチュエータ屈曲駆動機構が全体でほぼ円筒形をなし、この円筒の軸を共通軸として軸方向に複数配列された環状部材１６と、軸方向に延びて複数の環状部材１６の上端部同士を連結する連結部材１７とを有する。環状部材１６は、伸縮を含めて変形しにくい剛構造のものである。図１１では５個の環状部材１６が配列されているがこの個数は任意である。連結部材１７は、たとえば軸方向に延びた細長い板状のものであって、伸縮はしにくいが図示の上下方向に湾曲が可能な構造とする。

各環状部材１６の下部には多数の貫通孔（図示せず）が配列されており、これらの貫通孔を、外部刺激により収縮する線材１が通り、貫通孔同士の間に線材１が渡されている。各線材１は第３の実施形態（図８）と同様に、軸方向に対して斜めに配置されている。

電流などの外部刺激が各線材１に与えられると、各線材１が収縮し、アクチュエータ屈曲駆動機構全体の下部が軸方向に収縮する。このとき、連結部材１７の軸方向長さは変わらないことから、アクチュエータ屈曲駆動機構全体が、下部を内側にし、連結部材１７を外側にして屈曲する。このとき、環状部材１６によってアクチュエータ１０の幅方向の変形（収縮）が抑制されることから、前記原理により、アクチュエータ１０の軸方向の収縮率が大きくなる。

この実施形態の変形例として、第３の実施形態の変形例として説明したのと同様に、拘束板３の貫通孔５に線材１を通して環状部材１６同士を連結する代わりに、環状部材１６に、図６に示す多数の取り付け具４やその他の突起（図示せず）を固定し、線材１を取り付け具４や突起に係合させて環状部材１６同士を連結することも可能である。

以上、種々の実施形態を説明したが、これらは例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。また、上記実施形態の説明で、上方と下方を区別して説明したのは、説明の便宜のためであって、本発明では重力方向は関係ない。

本発明に係るアクチュエータの基本原理を説明するためのモデル説明図である。 図１のモデルにおける解析結果の例を示すグラフであって、収縮率Δｈ／ｈと、最大発生力と線材の許容最大張力の比ｆ_ｍａｘ／Ｆとを縦軸とし、線材両端固定点間距離と収縮前線材長さの比Ｌ／Ｌ_０を横軸として示すグラフである。 図１のアクチュエータを複数個並列させた例を示すモデル説明図である。 本発明に係るアクチュエータの基本原理を説明するためのモデル説明図である。 図４のモデルにおける解析結果の例を示すグラフであって、収縮率Δｈ／ｈと、最大発生力と線材の許容最大張力の比ｆ_ｍａｘ／Ｆとを縦軸とし、許容最大張力をばね定数および線材両端固定点間距離で割った値Ｆ／ｋＬを横軸として示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを示す平面図である。 本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係るアクチュエータ屈曲駆動機構を示す斜視図である。

符号の説明

１…線材
２…線材の両端
３…拘束板
４…取り付け具
５…貫通孔
１０…アクチュエータ
１１…幅拘束ゴムシート
１２…伸張防止繊維
１５…拘束体
１６…環状部材
１７…連結部材

Claims (9)

1. 外部刺激により収縮する線材の収縮に応じて所定の収縮方向に収縮するアクチュエータにおいて、
   前記線材の少なくとも一部が前記収縮方向に対して斜めに配置され、且つ、
   前記方向に対して斜めに配置された前記線材の両端の前記収縮方向に垂直な方向の相対的動きを抑制する幅拘束部材を有すること、
   を特徴とするアクチュエータ。
2. 前記幅拘束部材は、前記収縮方向には変形しやすく、前記収縮方向に垂直な方向には変形しにくい異方性を有すること、を特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記幅拘束部材は、互いにほぼ平行で、前記収縮方向にほぼ垂直な方向に延びる複数の細長い板であって、
   前記線材が、互いに隣接する前記幅拘束部材同士を連絡するように配置されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 外部刺激により収縮する線材の収縮に応じて所定の収縮方向に収縮するアクチュエータを屈曲部内側に備え、
   前記線材の少なくとも一部が前記収縮方向に対して斜めに配置され、且つ、
   前記収縮方向に対して斜めに配置された前記線材の両端の前記収縮方向に垂直な方向の相対的動きを抑制する幅拘束部材を有すること、
   を特徴とするアクチュエータ屈曲駆動機構。
5. 前記幅拘束部材は、前記収縮方向には変形しやすく、前記収縮方向に垂直な方向には変形しにくい異方性を有すること、を特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ屈曲駆動機構。
6. 前記幅拘束部材は、前記屈曲部外側に部分円筒状に構成され、且つ、円筒軸に垂直な方向の変形が抑制されるように配置され、
   前記線材は、前記屈曲部内側に部分円筒状に構成され、且つ、円筒軸方向が前記収縮方向に一致するように配置され、
   前記幅拘束部材と前記線材とが接合されて全体が円筒状に構成されていること、
   を特徴とする請求項４または請求項５に記載のアクチュエータ屈曲駆動機構。
7. 前記幅拘束部材は、前記部分円筒状部分の円周方向に延びる伸長防止繊維を備えていること、を特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ屈曲駆動機構。
8. 前記幅拘束部材は、前記収縮方向に沿って配列され、前記収縮方向にほぼ垂直な面内に延びる複数の環状部材を有し、
   前記線材が前記環状部材間を接続するように前記環状部材に固定されていること、
   を特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ屈曲駆動機構。
9. 前記複数の環状部材同士を前記収縮方向に連結し、前記収縮方向に伸縮しにくい材料からなる連結部材が、前記屈曲部外側に配置されていること、を特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ屈曲駆動機構。

Images